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Le DOCUMENT RCPONSE page 11/11 est 1i rendre im~drativement avec la copie, meme non compt6td.

II est r m I d aux candidats que la qualit6 de la r#action, la clait6 et la prénsion des explications - entreront dans I'appréciation des copies. Toute réponse devra être justifiée.

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

SCIENCES ET TECHNOLOGIES DE LABORATOIRE

Spécialité Biotechnoloaies

SESSION 2018

PHYSIQUE - CHIMIE

ÉPREUVE DU LUNDI 25 JUIN 2018

Durée de l'épreuve : 3 heures - Coefficient : 4

L'usage de tout modele de calculatrice, avec ou sans mode examen, est autorisé.

Des que le sujet est remis, assurez-vous qu'il est complet. Ce sulet comporte 1 1 pages numérotbes de 111 1 h 1 111 1.

LA STAllON SPATIALE INTERNATIONALE [ISS)

La Station Spatiale Internationale est un formidable exemple de ooopdration internationale rdunissant, entre autres, l'Europe, la Russie, les États-unis, le Japon et le Canada.

L'dtude qui vous est propos& sur I'ISS comporte trois parties qui peuvent dtre traitees independamment les unes des autres.

PARTiE A : Production d'hergie Bkctrique & bord de I'ISS Dans cette premibre partie, nous btudierons le rendement des panneaux photovoltaïques de I'ISS.

PARTIE 6 : Production de dioxygbne i~ bord de I'ISS Dans cette deuxibme partie, nous verrons comment est produit a bord de I'ISS le dioxyghne necessaire A la respiration de ses occupants.

PARTIE C : Sortles extravdhiculalres Dans cette dernier9 partie, nous verrons comment le dioxyde de carbone est élimine des combinaisons lors des sorties extravéhiculaires puis nous travaillerons sur le voyage de retour de Thomas Pesquet à bord du module de descente du vaisseau Soyouz MS-03.

PARTIE A : Production d'dnergie electrique a bord de I'ISS

La production d'hlectricite a bord de I'ISS est assurée par l'utilisation de 8 panneaux solaires doubles appelés SAW (Solar Array Wing). L'orientation par rapport au Soleil de ces panneaux est contrblée en permanence de façon A optimiser la production d'énergie blectrique. Sur le DOCUMENT Al, est représentée la production de chacun des panneaux SAW le 5 novembre 201 7 21 h45.

A.1. Autour du rendement d'un SAW

Chaque SAW comporte plusieurs milliers de cellules photovoltaïques et a un rendement moyen thborique q de conversion d'energie lumineuse en bnergie électrique de 14,s %.

A.l .l. CumplBter, sur le WCUMENT RÉPONSE 1, rendre avec la copie, la chaîne energbtique d'une cellule photovoltaïque.

k1.2. En vous aidant des DOCUMENTS A l et A2, repondre aux questions suivantes :

A.1.2.f. Montrer que la surface totale Sd'un SAW vaut environ 389 m2.

A.1.2.2. Déterminer la puissance lumineuse théorique maximale P m reçue par un panneau SAW.

A.1.2.3. En deduire la puissance blectrique théorique maximale Pemm que pourrait gdnérer un panneau SAW.

A.1.2.4. En réalité, la puissance Blectrique attendue pour chaque panneau par les ingbnieurs est d'environ 31 kW. Déterminer la puissance electrique Pe attendue par les ingénieurs par les 8 SAW.

A.1.2.5. Déterminer la puissance 6lectrique effective totale PM générée par l'ensemble des 8 panneaux SAW le 5 novembre 20 1 7 h 21 h45.

A.1.2.6. Montrer que les panneaux du SAW ne sont utilisés qu'A environ 24% de leur possibilite le 5 novembre 201 7 A 21 h45.

A.1.2.7. Proposer une explication.

A.1,2,8, Au cours de chacune de ses orbites autour de la Terre qu'elle effectue en 90 minutes, la station orbitale passe 36 minutes dans l'ombre de la Terre. Comment selon vous la station orbitale fait-lle pour subvenir A ses besoins en 6nergie Blectrique durant ces 36 minutes ?

A.2. Du vent dans les Panneaux 3

A.2.1. Dans le rdfbrentiel geocentrique la station orbitale décrit un mouvement considéré comme circulaire de rayon = 6 770 km. Calculer en kmlh la vitesse v de la station orbiale.

A.2.2. Vu le résultat de la question prbcbdente, justifier le fait que les panneaux ne soient pas arrachés.

DOCUMENTS DE LA PARTIE A

DOCUMENT A1 : Caractéristiaues d'un SAW

Dimensions d'un SAW : 33,5 m x 1 1,6 m

Nombre de cellules photovoltaïque : 32 800

Type de semi-conducteur : rnulti-jonction ; alliages de gallium

Ectairement incident : 1 500 W . m-*

Le 5 novembre 201 7 21 h45 :

Tension aux bornes du Puissance &ktrique ldentlftcatlon du SAW lntensitd produite (A)

SAW (V) fournie (UV)

1B 57,26 1 51,81 8 693

DOCUMENT A2 : Éclairement recu par une surface et rendement d'une panneau voltaïaue

On appelle puissance lumineuse PI = E - S avec E : éclairement de la cellule photovoltaÏque exprime en W et S : surface de la cellule photovoltaïque exprimee en m2 ;

Le rendement q d'un panneau photovolta'ique est le rapport de la puissance Blectrique produite sur ta puissance lumineuse reçue.

PARflE B : Production de dioxygdne au sein de I'ISS

Afin de couvrir les besoins en dioxygène des six membres d'équipage de I'ISS, un nouveau systhrne a été installe en 2007 dans ta station : I'OGS (Oxygen Generator System). Le principe de I'OGS repose sur l'électrolyse de l'eau en milieu basique.

8.1. Mise en Bauation

La production du dioxygéne est assurée par une réaction d'oxydo-rbduction en milieu basique.

À l'une des Blectrodes, la demi-équation (1 ) s'dcrit :

A l'autre électrode, la demi-équation (2) s'écrit :

B.1.1. Nommer le couple d'oxydo-réduction relatif A la demi-equation (1 ).

8.1.2. L'Blectrc4e OU se forme le dihydrogbne H, est-elle l'anode ou la cathode ? Justifier.

8.1.3. A partir des demi-équations (1) et (2). Btablir l'équation globale de fonctionnement de I'electrolyseur.

B.1.4. Le dihydroghne forme se combine avec du dioxvde de carbone. A l'aide du OOCUMENT B I , &ire 1'6quation de la reaction se produisant dans le reacteur de Sabatier.

B.1.5. Donner deux interdts qui selon vous justifient l'usage du réacteur de Sabatier.

B.2. ttude auantitative

Données :

relation liant la temperature absolue Ten kelvins (K) et ta temperature 0 en degres

Celsius ("C) : T(K) = WC) + 273 ;

température t9 l'intérieur de I'ISS : 8= 25 O C ;

pression P à Ilinterieur de I'ISS : P = 1 ,O bar = 1 ,O x IO5 Pa ;

r quantité d'électricité Q disponible exprimée en Coulomb (C) :

Q = n , ~ F = 1 . dt

ne. : quantité maximale d'électrons circulant exprimee en moles (mol)

F : constante da Faraday ; F = 9,65 x 1 O4 C mol ;

At : durée considérée.

masses molaires atomiques :

MH= 1,O g - mol F

8.2.1. À l'aide du DOCUMENT Bq, calculer la quantité d'électricité Q nécessaire au fonctionnement d'une cellule de I'OGS au cours d'une journée.

B.2.2. En déduire la quantité d'blectrons ne- (exprimée en mol) échangée au cours d'une journée par une cellule électrolytique.

8.2.3. A I'aide de la demi-équation :

VBrifier que la quantité de matière de dioxygene produite n(O,) par une cellule électrolytique pendant une journée est environ n(0,) = 11 mol.

B.2.4. L'équipage de I'ISS consomme 0,9 1 kg de dioxygène par personne et par jour. Déterminer le nombre minimal de cellules électrolytiques nécessaires pour subvenir aux besoins en dioxygdne de l'équipage.

B.2.5. A la température 8 de 25 OC et sous une pression P de 1 ,O bar, le dioxygène se trouve à l'état gazeux.

B.2.5.1. Connaissant la pression P d'un gaz et sa quantite de matiere n a une température absolue Tdonnée, il est possible de calculer le volume V occupé par ce gaz grace a la loi des gaz parfaits : P . V = n R T

avec : P : pression du gaz exprim6e en Pa

V : volume occupé par le gaz en rn3

n : quantité de matière du gaz en mol

R : constante des gaz parfaits ; R = 8,31 J . K-l mol -' T : température absolue du gaz en K

Calculer à la température de 25 OC, le volume de dioxygène VQ) produit par une cellule de I'OGS en un jour.

8.2.5.2. A partir du DOCUMENT 82, calculer le volume de dioxygene V a ) ,,bn produit par une cellule de I'OGS au cours de la mission de Thomas Pesquet.

DOCUMENTS DE LA PARTIE B

DOCUMENT B I : Fonctionnement de I'OGS

L'OGS collecte I'eau recyclée de la station et la décompose en dioxygéne O, et en dihydrogbne H, sous i'action d'un courant dectrique (voir schéma). Le dioxygène est libéré dans I'atmosphhre de la station tandis que le dihydrogéne est achemine vers un réacteur appelé &acteur de Sabatier où il se combine avec du dioxyde de catbone CO, pour former de I'eau et du methane CH,. L'OGS est composé de plusieurs cellules 6lectrolytiques. Chaque cellule est traversde par un courant blectrique d'intensité 50 A.

Vents to Caùdn 7

I

D 'aprds la NASA

DOCUMENT B2 : SBiour de Thomas Pesauet & bord de I'ISS

Le 20 novembre 201 6, le spationaute de I'ESA (Agence Spatiale Européenne), Thomas Pesquet, a rejoint I'ISS et ses occupants, A 400 km d'altitude au terme d'un vol de deux jours A bord du vaisseau Soyouz MS-03.

Les six membres d'équipage ont assure la maintenance de la Station et réalisé de nombreuses exp6riences scientifiques que seule l'impesanteur de ce laboratoire spatial unique permet.

La mission Proxima de Thomas tire son nom de If6toile la plus proche du Soleil, comme les missions précédentes de spationautes français, qui reçoivent des noms d'etoiles et de constellations. Cette mission a duré 196 jours (6 mois), ce qui est le record pour un spationaute français.

D 'aprds I'ESA

PARTIE C : Sorties de I'ISS

Plus gros objet artificiel en orbite terrestre, I'ISS a et6 construite progressivement au cours de nombreuses sorties extravéhiculaires des différents astronautes. Pour survivre et travailler dans l'espace, un astronaute doit revbtir une corn binaison spatiale trhs spbcif ique : I'EMU (Extravehicular Mobility Unit).

C.1. Élimination du dioxvde de carbone lors des sorties extrav6hlculairep

La dernière version des €MU offre une autonomie de 9 h en dioxygbne. Elle est équipée d'un système de suivie très perfectionné dont une partie a pour but d'évacuer le dioxyde de carbone expiré par t'astronaute.

C.1.i. Le dioxyde de carbone et la vapeur d'eau expirés par l'astronaute, proviennent de la combustion du glucose dans le dioxygène. Ecrire et équilibrer I'éiquation de combustion complbte du glucose de formule chimique C,H,,O,.

C.1.2. Dans I'EMU, le dioxyde de carbone, gaz A caractére acide, est achemine vers des cartouches d'hydroxyde de lithium où il réiagit afin de former du carbonate de lithium et de l'eau.

C.1.2.1. A I'aide du DOCUMENT Cl, donner la signification du pictogramme associd à l'hydroxyde de lithium.

C.1.2.2. Donner la conduite à tenir en cas de contact accidentel avec l'hydroxyde de lithium dans un laboratoire.

C.2. Retour sur Terre

lntensit6 de pesanteur terrestre : g = 9,8 N . kg -'. Les astronautes passent en moyenne 6 mois a bord de I'ISS. Ainsi, le 2 juin 2017 A 16h09, Thomas Pesquet a touch6 A nouveau le sol terrestre aprés un vol de retour de pr&s de 4 heures A bord du vaisseau Soyouz MS-03.

A l'aide des DOCUMENTS C2 et C3, rbpondre aux questions suivantes :

C.2.1. Montrer que I'bnergie cinetique Ec du module de descente varie de - 44 kJ entre les points A et B.

C.2.2. Exprimer puis calculer le travail W ~ B (P) du poids.

C.2.3. Ce travail WAB f i est-il moteur ou résistant ? Justifier.

C.2.4. Déterminer le travail WM c) de la force de frottement entre les points A et B.

C.2.5. En supposant la force de freinage 7 constante entre A et B, deduire I'intensité f de cette force de freinage.

DOCUMENTS DE LA PARTIE C

DOCUMENT Cl : Quelaues données sur I'hydroxvde de lithlum

Formule chimique : LiOH, H,O ; solide cristallin blanc monohydrate

Masse motaire molbculaire : 42 g mol-l

D'aprés la CNESST (commission des normes, de i'équité, de la santé et de la sécurité du travail)

DOCUMENT C2 : Les 6taaes du retour sur Terre

Vendredi 2 juin, ce sera le moment dmouvant des adieux, le vaisseau Soyouz va se détacher de I'ISS avec Thomas Pesquet et Oleg Novitski y A son bord. C'est l'étape du dbsarrimage.

Puis, c'est la désorbiation : la vitesse du vaisseau diminue, sa trajectoire est modifibe pour enclencher la séquence de la rentrée dans l'atmosphère.

À 140 km d'altitude. le vaisseau Soyouz se séparera en trois parties. Seul le module de descente dans lequel sont installés les deux cosmonautes, est équip8 d'un bouclier thermique. Ce buclier est conçu pour resister A rentrée dans i'atmosghbre où les frottements freinent le module mais le chauffent également A des temperatures très élevées, proches de 2 000 O C .

À 8,5 km du sol, le vaisseau est encore a une vitesse de 800 km . h-l lorsque les parachutes se déploient. A 5.5 km d'altitude. le bouclier thermique, les hublots extbrieurs et les réservoirs sont largués pour éviter tout risque d'explosion au moment de l'impact. Le module de descente a alors une masse de 2 500 kg.

A 70 cm du sol. c'est au tour des six rétrofusées de s'allumer pour réduire au maximum la vitesse du module de descente qui passe alors de 22 A 5,O km . h-l (vitesse lors de l'impact au sol).

Diapr&s Sciences et Avenir

Module de descente

Remfusees

Il&!! '+rd

lm-

DOCUMENT RÉPONSE A RENDRE AVEC LA COPIE, MÊME NON COMPLÉTÉ

DR1 : ChaÎne énergétique d'une ce1 Iule photovoltaïque -

b

photovoltaïque